Abschätzung der Größe eines einzelnen Moleküls
Wie Benjamin Franklin und Lord Rayleigh die Größe von Molekülen nur mit Öl und Wasser berechneten
- Jahrzehnte bevor Röntgenstrahlen entdeckt und leistungsfähige Mikroskope erfunden wurden, berechnete Lord Rayleigh die Größe eines einzelnen Moleküls allein mit Öl, Wasser und einem Stift
- Seine Inspiration stammte von Benjamin Franklin
Franklins Experiment
- Bei einem Besuch in London um 1770 beobachtete Franklin, dass sich die Wellen beruhigten, wenn während einer Atlantiküberquerung Öl vom Schiff ins Meer gelangte
- Er führte daraufhin am Teich von Clapham Common in London ein Experiment durch, bei dem er eine kleine Menge Öl ins Wasser goss
- Er stellte fest, dass sich das Öl rasch über die Teichoberfläche ausbreitete und das Wasser glättete
- Franklin wiederholte das Experiment mehrfach und dokumentierte es detailliert, verstand jedoch seine molekulare Bedeutung nicht
Lord Rayleighs Neuinterpretation
- Lord Rayleigh, ein Gelehrter aus Cambridge und berühmter Physiker, interpretierte Franklins Experiment aus einer neuen Perspektive neu
- 1890 ließ Lord Rayleigh eine exakt gemessene kleine Menge Olivenöl auf Wasser fallen und maß die Fläche, über die sich das Öl ausbreitete
- Er schätzte die Dicke des Ölfilms, indem er das Volumen des Öls durch die Fläche teilte
- Unter der Annahme, dass der Ölfilm aus einer einzelnen Molekülschicht bestand, berechnete er die Dicke des Films als Länge eines Moleküls
Lord Rayleighs Ergebnis
- Lord Rayleighs Berechnung ergab etwa 1,63 Nanometer
- Die tatsächliche Länge eines Triacylglycerol-Moleküls, des Hauptbestandteils von Olivenöl, beträgt etwa 1,67 Nanometer; Rayleighs Schätzung wich also nur um rund 2 % ab
- Sein Experiment zeigte, dass sich selbst mit einfachen Werkzeugen tiefgehende wissenschaftliche Einsichten gewinnen lassen
Weiteres Material
- Charles Tanfords Buch "Ben Franklin Stilled the Waves" untersucht die Geschichte dieses Öltröpfchen-Experiments eingehend
Zusammenfassung von GN⁺
- Dieser Artikel zeigt, dass selbst mit einfachen Experimentiermitteln wichtige wissenschaftliche Entdeckungen möglich sind
- Die Experimente von Benjamin Franklin und Lord Rayleigh unterstreichen, wie wichtig wissenschaftliche Neugier und Kreativität sind
- Der Artikel ist nützlich für Menschen, die sich für Wissenschaftsgeschichte und experimentelle Methodik interessieren
- Ähnliche Projekte mit vergleichbarer Ausrichtung sind unter anderem "Science Experiments You Can Do At Home"
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
1676 schätzte Rømer die Lichtgeschwindigkeit, indem er die Umlaufzeiten von Io, einem Mond des Jupiter, maß.
Wenn sich die Erde dem Jupiter näherte, trat Io jeweils etwas früher hinter Jupiter hervor; wenn sie sich entfernte, erschien er jeweils etwas später, und über ein Jahr hinweg wuchs der Zeitunterschied auf bis zu 22 Minuten an.
Da man den Unterschied zwischen den beiden Entfernungen kannte, berechnete er, dass das Licht diese Strecke in 22 Minuten zurücklegt; das Ergebnis lag bei 227.000 km pro Sekunde. Wenn man bedenkt, dass der tatsächliche Wert etwa 300.000 km pro Sekunde beträgt, ist das ziemlich beeindruckend.
Ich mag solche Geschichten immer, in denen eine sehr konkrete Beobachtung, die den meisten entgehen würde, eine viel tiefere Eigenschaft des Universums offenbart.
Ein bekanntes Beispiel ist auch Eratosthenes, der mithilfe von Schatten den Erdumfang mit nur wenigen Prozent Abweichung bestimmte.
https://en.wikipedia.org/wiki/R%C3%B8mer%27s_determination_o...
https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light#First_measureme...
Ein weiterer interessanter Punkt an der Nutzung der Zeiten von Mondfinsternissen ist, dass Galileo vorschlug, das Jupitermondsystem wie eine kosmische Uhr zu verwenden, um die Zeit und darüber hinaus die geografische Länge zu bestimmen.
Wenn man die Zeiten der Verfinsterungen der Jupitermonde im Voraus präzise berechnete und sie mit Beobachtungen an Land oder auf einem Schiff verglich, konnte man die Ortszeit und die geografische Länge bestimmen.
https://en.wikipedia.org/wiki/Galilean_moons#Determination_o...
Erstaunlich, dass man allein mit einem Teleskop und sorgfältiger Zeitmessung dem tatsächlichen Wert der Lichtgeschwindigkeit so nahekam.
Die Lichtgeschwindigkeit ist so hoch, dass sie unter den bekannten physikalischen Konstanten den präzisesten Wert hat: 299 792 458 m/s.
Der Unterschied zu 300.000.000 m/s beträgt weniger als 7/1000 und ist daher überhaupt nicht der Rede wert.
Licht legt in 1 Nanosekunde 0,3 m zurück, also 11,802 Zoll.
https://www.youtube.com/watch?v=9eyFDBPk4Yw
Das erinnert an das Öltröpfchenexperiment von Millikan und Fletcher. In diesem Experiment wurde die Ladung des Elektrons gemessen.
Kurz gesagt: Man maß, wie lange fein zerstäubte Öltröpfchen brauchten, um in der Luft zu fallen, berechnete daraus ihr Volumen und legte dann ein bekanntes elektrisches Feld an, um die Tröpfchen in der Schwebe zu halten.
Die berechneten Ladungen pro Molekül häuften sich um Vielfache eines kleineren Werts, und dieser kleine Wert war die Ladung eines einzelnen Elektrons.
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment
Zuerst versuchte man auch ein ähnliches Wassertröpfchenexperiment. Die Idee war dieselbe, nur dass Wasser statt Öl verwendet wurde.
Es scheiterte, weil die helle Lampe, die man zum Beobachten der Tröpfchen verwendete, das Wasser zu schnell verdampfen ließ. Ein ziemlich nachvollziehbarer Fehlschlag.
Zu dieser Geschichte gibt es immer noch mehr Hintergrund.
https://www.scribd.com/document/661270387/My-Work-with-Milli... Fletcher & Millikan
https://www.youtube.com/watch?v=B-uWaEvXqbA
Wie kann man sicher sein, dass das Ergebnis nicht 2e oder ein anderes Vielfaches war?
Ich mag solche Texte. In der naturwissenschaftlichen Bildung werden Gesetze und Theorien viel zu oft einfach als etwas präsentiert, das man auswendig lernen muss; tatsächlich ist es viel interessanter und inspirierender, wie sie ursprünglich entdeckt und gelöst wurden.
Ich erinnere mich daran, jede Menge biochemische Stoffwechselwege gelernt zu haben, aber ich verließ die Schule, ohne wirklich zu wissen, wie diese Wege überhaupt aufgeklärt wurden.
Empfehlungen für andere Artikel oder Bücher darüber, wie wissenschaftliche Theorien erstmals entdeckt wurden, sind willkommen.
Ich frage mich, ob du Physik in der Highschool oder an der Universität hattest. Ich habe an einer US-Universität wegen meines Hauptfachs nur einen einzigen Physikkurs belegt; es war Quanten-Elektrodynamik für Elektrotechnik, und der Professor hatte das Lehrbuch selbst geschrieben.
Ich erinnere mich, dass er jedes Experiment von Grund auf durchging: die Grundlagen des Atomverständnisses, das Lichtverständnis zu Newtons Zeit, das Doppelspaltexperiment, die Maxwell-Gleichungen, das Michelson-Morley-Ätherexperiment, die Herleitung und experimentelle Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie sowie den Weg, die allgemeine Relativitätstheorie in Newtonsche Mechanik und elektromagnetische Gesetze zu zerlegen.
Dass Menschen so etwas aus ersten Prinzipien heraus herausgefunden haben, erfüllt mich immer noch mit Staunen.
Ich habe es noch nicht gelesen, aber ein Buch, das jemand auf Reddit empfohlen hat, habe ich in der Bibliothek reserviert:
How to Make an Apple Pie from Scratch: In Search of the Recipe for Our Universe, from the Origins of Atoms to the Big Bang
https://www.publishersweekly.com/9780385545655
Die Geschichte der Entdeckung der Quantisierung der Elektronenladung dürfte ebenfalls zu deinen Interessen passen: https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment
Ich habe das an der Uni selbst mit Gleichstrom von ein paar Hundert Volt gemacht; es war zwar beängstigend, aber die Daten zu sammeln und sie in Excel zu analysieren und dann zu sehen, wie die Zahlen genau aufgehen, hat ziemlich Spaß gemacht.
Ich habe vor Kurzem John Buckinghams Chasing the Molecule gelesen und fand es sehr unterhaltsam.
Es gibt einen zugänglichen und zugleich ausreichend tiefgehenden Überblick über die Geschichte der modernen Chemie.
Es erzählt auch gut von weniger bekannten Personen, die die Chemie stark vorangebracht haben, sowie von bekannten Figuren, die sich an falsche Theorien klammerten und damit eher bremsten.
Das Buch ist recht kurz, was die Lektüre noch niedrigschwelliger macht.
Häufig werden gelehrte Inhalte so vermittelt, als seien sie wie eine Offenbarung gegeben worden: sicher und endgültig, mit geheimnisvollen Ursprüngen. Es ist nicht gut, Wissenschaft mit diesem Gefühl zu betrachten.
Auch wenn man sagen kann, dass die Möglichkeit von Wissenschaft selbst auf bestimmten Glaubenssätzen beruht, sind einzelne wissenschaftliche Entdeckungen eine Frage von Empirie, der Interpretation von Empirie und von Argumenten, die auf interpretierter Empirie aufbauen.
Dazu kommen Arbeitsannahmen, die im Stillen eine große Rolle spielen; meiner Ansicht nach wird dieser Teil nicht ausreichend behandelt.
Das stützt auch die Vorstellung, dass ein erheblicher Teil wissenschaftlicher Tätigkeit weniger durch theoretische Motive als durch praktische, handlungsbezogene Motive und Gewohnheiten getrieben ist.
Absolut richtig. Gute Wissenschaftslehrer verstehen die Kraft der Geschichten wissenschaftlicher Entdeckungen.
Carl Sagans Cosmos und einige von Richard Feynmans hervorragenden Vorlesungen sind die Beispiele, die mir am stärksten in Erinnerung geblieben sind.
Ich bin überzeugt, dass gute Lehrkräfte historische und menschliche Aspekte einflechten und damit selbst trockenen Themen eine zentrale Perspektive und natürliche Anker fürs Gedächtnis geben.
„Rayleigh schätzte die Dicke des Ölfilms, indem er das Volumen des Öls durch die Fläche teilte, die es bedeckte. Wenn man annimmt, dass das Öl eine einzige Molekülschicht, also eine Monoschicht, bildete, entspricht die Dicke des Ölfilms der Länge eines einzelnen Ölmoleküls.
So wurde Lord Rayleigh der erste Mensch, der die Größe eines einzelnen Moleküls bestimmte, lange bevor irgendjemand solche Moleküle sehen konnte.“
Interessant, aber war die Annahme, dass sich das Öl bis auf eine Mindestdicke von einem Molekül ausbreitet, nicht immer noch ziemlich spekulativ?
Gab es keinen Verdacht, dass es wegen der Oberflächenspannung dicker bleiben könnte? Oder gab es andere Hinweise darauf, dass es tatsächlich eine Monoschicht war?
Alle wollen nach unten, und der Widerstand gegen das Ausbreiten des Öls könnte im Vergleich zur Schwerkraft, die das Öl flachdrückt, relativ viel kleiner sein.
Dieser Effekt würde sich ändern, wenn die Schicht im Mittel von mehr als einem Molekül Dicke auf weniger als eines übergeht.
Wahrscheinlich konnte man diesen Übergang experimentell bestimmen und dann mit dem Ölvolumen die Dicke der Molekülschicht erhalten.
Es gibt keinen Grund, warum das Volumen jedes Ölmoleküls, wenn es von allen Seiten von anderen Ölmolekülen umgeben ist, gleich sein sollte wie in einem Zustand mit Luft darüber und Wasser darunter.
Kann jemand erklären, warum das gelten sollte?
Zum Beispiel kann sich ein Teelöffel Öl über 1 m², 2 m² oder n m² ausbreiten, und an irgendeinem Punkt wird die Filmdicke von m auf 1 und dann auf weniger als 1 sinken.
„Wenn man annimmt, dass das Öl eine einzige Molekülschicht, also eine Monoschicht, bildete, entspricht die Dicke des Ölfilms der Länge eines einzelnen Ölmoleküls.“
Wie wusste man, dass dieser Ölfilm ein Molekül dick war?
Das wirkt wie eine enorme Annahme, auch wenn dieser Blogbeitrag vielleicht etwas auslässt.
Der Blogbeitrag scheint diesen Punkt auszulassen, aber der verlinkte Originalartikel ist ziemlich kurz: https://www.damtp.cam.ac.uk/user/gold/pdfs/teaching/old_lite...
Rayleighs Experiment zielte tatsächlich darauf, die minimale Öldicke zu bestimmen, die nötig war, um die Bewegung von Kampferstückchen auf Wasser zum Stillstand zu bringen.
Er sagt es nicht ausdrücklich, aber die minimale Dicke, die die Bewegung der Stückchen stoppt, scheint der Zustand zu sein, in dem das Ölvolumen die Oberfläche „gerade so“ bedeckt, also überall ein Molekül dick ist und die Stückchen das Wasser nicht berühren.
Es scheint dabei um einen etwas clevereren Punkt zur Oberflächenspannung zu gehen, aber dieser Teil übersteigt mein Verständnis ein wenig.
Wenn man das Experiment mehrmals mit Tropfen unterschiedlicher Größe macht, stellt man fest, dass die Ölschicht immer ungefähr dieselbe Dicke hat.
Das ist eine interessante Beobachtung, die erklärt werden muss, und die Hypothese, dass die Dicke der Ölschicht der Länge eines Moleküls entspricht, ist vermutlich die natürlichste und plausibelste Erklärung.
Natürlich muss man danach nach Bestätigung suchen. Was hat das historisch als Nächstes bestätigt?
Es gibt die Intuition, dass sich ein dünnes Fluid auf einer reibungsarmen Oberfläche, etwa auf Wasser, nach ausreichend langer Zeit „so weit wie möglich“ ausbreitet.
Es kann Störfaktoren geben, aber als Annahme innerhalb der Hypothese wirkt das vernünftig.
Man musste es nicht unbedingt „wissen“; Annahmen sind in Ordnung, und diese Annahme fühlt sich nicht so gewaltig an.
Genau. Dieses Experiment liefert tatsächlich eher eine Obergrenze für die Molekülgröße in einer bestimmten Richtung.
Trotzdem ist es ein sehr nützliches Ergebnis.
Wissenschaftler müssen häufig Annahmen treffen, um voranzukommen.
Ein berühmtes Beispiel: Darwin erkannte, dass Merkmale durch natürliche Selektion vererbt werden und dass dies die Triebkraft der Evolution ist, ohne eine Vorstellung von der physikalischen Natur der DNA oder davon zu haben, wie Gene sich verändern, sodass etwa durch DNA-Mutationen Anpassungen entstehen und Lebewesen besser angepasst werden.
Ich hätte mir gewünscht, dass es in der Schule ein Fach wie Design wissenschaftlicher Experimente gegeben hätte.
Ein Unterricht, der den Ablauf historisch repräsentativer Experimente von der Antike an erklärt und die Schüler immer wieder so fragt: „Wie würdet ihr unter diesen Randbedingungen ein Experiment entwerfen und durchführen, um die Größe der Erde abzuschätzen? Wie würdet ihr Phlogiston und den lichttragenden Äther widerlegen? Wie würdet ihr die Lichtgeschwindigkeit messen?“
Das war wirklich eine heroische Leistung, und Michelson war ein Genie.
Dieses Öl/Wasser-Experiment haben wir im Physik- oder Chemielabor des ersten Studienjahrs gemacht, aber es wurde hastig durchgezogen, alle machten nur das Minimum, und auch die Lehrkräfte erklärten kaum etwas, bevor es weiterging.
Damit ein physikalisches Experiment richtig funktioniert, muss man besessen Details protokollieren und zugleich eine starke Intuition haben.
Weil man die richtige Antwort nicht kennt, muss man das Experiment so entwerfen, dass man zwischen „die Hypothese ist falsch“ und „das Gerät funktioniert nicht“ unterscheiden kann.
Als LIGO zum Beispiel zum ersten Mal eingeschaltet wurde, fing es fast sofort ein hervorragendes Ereignis auf, aber man veranstaltete nicht gleich eine Feier.
Zunächst ging man von einem Problem mit der Maschine aus und ignorierte es; erst nach erheblicher nachträglicher Analyse und Korrelationsprüfung kam man zu dem Schluss, dass es ein echtes Ereignis war.
Der Titel dieses Threads scheint falsch zu sein. Im Originalartikel heißt es: „Rayleighs kleines Experiment, das er 1890 durchführte und das direkt von Franklins Beobachtung inspiriert war, ist nicht annähernd so bekannt.“
Daher berechnete Rayleigh die Größe von Molekülen nicht 1870, sondern 1890. Rayleigh war 1870 noch jung und nicht für originäre Forschung bekannt.
Es stimmt zwar, dass Rayleigh eine neue Methode zur Bestimmung der Molekülgröße entwickelte, aber wichtig ist auch, dass Johann Josef Loschmidt 1865 der Erste war, der Größe und Gewicht von Molekülen erfolgreich bestimmte.
https://en.wikipedia.org/wiki/Johann_Josef_Loschmidt
Loschmidts Veröffentlichung zum Gewicht und zur Größe von Luftmolekülen war einer der wichtigsten Meilensteine in der Geschichte der Physik.
Vor 1865 konnte die von Dalton wiederbelebte Atomtheorie als hypothetisches Modell gelten, das chemische Reaktionen und einige Eigenschaften der Thermodynamik erklärte, wobei weiterhin die Möglichkeit bestand, dass sie falsch war oder durch ein besseres Modell ersetzt würde.
Von diesem Moment an konnten Atome und Moleküle gewogen und gezählt werden, und ihre Realität wurde nicht länger angezweifelt.
Allein durch Loschmidts Bestimmung von Größe und Gewicht der Luftmoleküle konnte man mithilfe der bereits bekannten relativen Atommassen aus chemischen Reaktionen Größe und Gewicht anderer bekannter Atome und Moleküle bestimmen.
Außerdem verwendete George Johnstone Stoney einige Jahre später, 1874, Loschmidts Ergebnisse zusammen mit Maxwells 1873 veröffentlichter Theorie zur Existenz einer Elementarladung, um den Wert der Elementarladung zu berechnen.
Später gab Stoney dieser Elementarladung den Namen „electron“, der zur Wurzel zahlreicher Begriffe der modernen Wissenschaft und Technik wurde, von electronics bis hadron.
In einem meiner Physikkurse an der Uni haben wir dieses Experiment nachgestellt.
Es war ziemlich viel Arbeit, und die Ergebnisse waren nicht so gut wie beim ursprünglichen Experiment, aber es war lehrreich und interessant.
Die Anforderungen an die Ausrüstung waren für ein Physikpraktikum im Grundstudium durchaus angemessen, daher empfehle ich dringend, es selbst auszuprobieren, wenn möglich.
https://www.atomsonly.news/p/franklin-oil
Der Grund, warum diese Domain gesperrt wurde: Seit Januar 2014 mussten alle ICANN-akkreditierten Registrare wie Namecheap die Kontaktinformationen der Kunden überprüfen, die eine Domain registrieren, also die Registrant Whois.
Änderungen an den Kontaktinformationen fallen ebenfalls darunter.